CN210607284U

CN210607284U - 一种多量子阱蓝光探测器

Info

Publication number: CN210607284U
Application number: CN201921226071.8U
Authority: CN
Inventors: 王文樑; 李国强; 孔德麒; 杨昱辉
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-07-31

Abstract

本实用新型公开了一种多量子阱蓝光探测器，所述探测器包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、GaN/InGaN多量子阱层和金属层电极，缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层为在缓冲层上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为6~8，GaN层的厚度为12~15 nm，InGaN层的厚度为3~5nm。通过优化探测器件的芯片参数，提升了蓝光波段的量子效率；在探测芯片表面进行蓝光增敏微纳结构设计，有效降低表面对蓝光的反射损耗，增强蓝光谐振吸收，实现高灵敏度高带宽探测。

Description

一种多量子阱蓝光探测器

技术领域

本实用新型涉及可见光探测器领域，特别涉及一种多量子阱（MQW）蓝光探测器。

背景技术

III族氮化物半导体材料拥有优良的光学、电学、热学、化学、机械性能，因此，Ⅲ族氮化物光电器件和功率器件得到了国内外科研人员的广泛关注和重点研究。

作为第三代半导体材料研究热点之一的InGaN材料拥有良好的物理化学性质。它的电子迁移率高、热稳定性好、化学稳定性好。可以通过调整合金中 In的组分，实现禁带宽度从 3.4 eV到 0.7 eV的连续调节，从而使得InGaN探测器能够实现覆盖整个可见光波段的连续探测，相比光电倍增管，InGaN探测器具有体积小、易携带、易集成、击穿电场高（> 1MV/cm）、工作电压低、节能环保、无需滤光系统等优势。

虽然InGaN基探测器材料生长研究取得了一定研究进展，但是到目前为止还没有实现商品转化。制约InGaN探测器发展和应用的根本问题是材料质量问题。一方面，由于InGaN和Si衬底之间存在着较大的晶格失配(>16.9%),因此在InGaN外延层中也容易产生较高密度的位错。另一方面，由于InGaN材料容易发生分相，特别In组分越高越容易发生分相。同时，在GaN材料上生长InGaN，由于InGaN与GaN之间存在晶格失配，随着厚度增加会发生弛豫，产生缺陷，这些都可以作为俘获载流子。从而降低载流子输运特性，导致InGaN探测器的量子效率下降，影响响应速和灵敏度等。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型的目的在于提供了一种多量子阱蓝光探测器，采用GaN/InGaN多量子阱材料制备蓝光探测器。其具有以下突出优势：一，GaN/InGaN MQW具有超晶格结构，InGaN厚度较低，材料未弛豫，可减少缺陷产生，材料质量更好；二，直接生长InGaN较为困难，易发生相分离。采用GaN/InGaN MQW由于InGaN薄膜厚度较低，减少相分离，提高InGaN材料的晶体质量，从而获得高性能蓝光探测器，具有量子效率高，响应速度快和灵敏度高等优点，经测试，响应时间由500 ms缩短为300 ms；三，通过在缓冲层上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长6~8个周期，将GaN层的厚度控制在12~15 nm，InGaN层的厚度控制在3~5nm，使InGaN表面有更多的富In团簇，使GaN/InGaN多量子阱材料制备蓝光探测器有更高的量子效率；四，通过AlN/AlGaN/GaN缓冲层，过滤位错，释放应力，使缺陷密度由10⁹减小到10⁶，使生长的InGaN材料质量更好；五，通过Ti/Ni/Au金属层，制作肖特基接触电极，暗电流由10^-6A减小到10^-7A，增强载流子注入效率，减小漏电。

本实用新型的目的至少是通过以下技术方案之一实现的。

本实用新型提供了一种多量子阱蓝光探测器，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、GaN/InGaN多量子阱层和金属层电极，缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层为在缓冲层上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为6~8，GaN层的厚度为12~15 nm，InGaN层的厚度为3~5nm。

优选地，衬底为Si衬底。

优选地，AlN层、AlGaN层和GaN层的厚度分别为300~400 nm、600~700 nm、3~4 μm。

优选地，金属层电极的形状为叉指电极；金属层电极为Ti/Ni/Au金属层，Ti/Ni/Au金属层为从下到上依次排布的Ti金属层、Ni金属层和Au金属层，Ti金属层的厚度为20~30nm、Ni金属层的厚度为100~110nm，Au金属层的厚度为100~110nm。

本实用新型还提供了制备所述多量子阱蓝光探测器的方法，包括以下步骤：

（1）采用 MOCVD方法在衬底上生长缓冲层，再在缓冲层上生长InGaN /GaN多量子阱层；

（2）在GaN/InGaN多量子阱层上进行光刻，在GaN/InGaN多量子阱层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，确定电极形状，并通过蒸镀工艺将金属层电极蒸镀在GaN/InGaN多量子阱层上表面。

优选地，采用MOCVD方法在衬底上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1100~1200℃、1100~1200℃和1000~1150℃。

优选地，采用MOCVD方法在缓冲层上生长GaN/InGaN多量子阱层的温度为600~750℃。

优选地，烘干时间为40~50 s，曝光时间为5~10 s，显影时间为40~50 s，氧离子处理时间为2~3 min。

优选地，金属层电极的蒸镀速率为0.23~0.28 nm/min。

本实用新型还提供了所述的多量子阱蓝光探测器在蓝光探测中的应用。

和现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果和优点：

（1）本实用新型提供的一种多量子阱蓝光探测器，先采用 MOCVD 高温外延方法在Si衬底上生长AlN/AlGaN/GaN缓冲层，再结合 MOCVD低温外延方法，在缓冲层上生长GaN/InGaN多量子阱层，再通过光刻蒸镀工艺，在GaN/InGaN多量子阱层上制作Ti/Ni/Au金属层电极，实现了GaN/InGaN多量子阱蓝光探测器。制备方法具有工艺简单、省时高效以及能耗低的特点，有利于规模化生产。

（2）本实用新型提供的一种多量子阱蓝光探测器，实现通过GaN/InGaN多量子阱层，实现在蓝光波段的高速响应；在此基础上优化设计蓝光探测器与阵列结构，有效提高响应速度。

（3）本实用新型提供的一种多量子阱蓝光探测器，通过优化探测器件的芯片参数，使所得多量子阱蓝光探测器在蓝光波段拥有较高的量子效率；在探测芯片表面进行蓝光增敏微纳结构设计，有效降低表面对蓝光的反射损耗，增强蓝光谐振吸收，实现高灵敏度高带宽探测。

附图说明

图1为本实用新型提供的多量子阱蓝光探测器的结构剖面示意图；

图2为本实用新型提供的多量子阱蓝光探测器的电极结构的俯视面示意图；

图3为实施1所制备的多量子阱蓝光探测器的X射线衍射图谱；

图4为实施1所制备的多量子阱蓝光探测器的透射电镜俯视图像；

图5为实施例1制备的多量子阱蓝光探测器的PL曲线图；

图6为实施例1制备的多量子阱蓝光探测器的光电流曲线图；

图7为实施例1制备的多量子阱蓝光探测器的暗电流曲线图；

图1中，1-衬底；2-缓冲层；3-GaN/InGaN多量子阱层；4-金属层电极。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种多量子阱蓝光探测器，如图1所示，包括从下到上依次排布的衬底1、缓冲层2和GaN/InGaN多量子阱层3，GaN/InGaN多量子阱层3的上表面连接金属层电极4，缓冲层2为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层3为在缓冲层2上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为6，GaN层的厚度为12 nm，InGaN层的厚度为3 nm。

衬底1为Si衬底；AlN层、AlGaN层和GaN层的厚度分别为300 nm、600 nm、3μm。

如图2所示，电极的形状为叉指电极，金属层电极4为Ti/Ni/Au金属层，Ti/Ni/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层、Ni金属层和Au金属层，Ti金属层的厚度为20 nm，Ni金属层的厚度为100 nm，Au金属层的厚度为100 nm。

本实施例还提供了制备所述多量子阱蓝光探测器的方法，包括以下步骤：

（1）采用 MOCVD方法在衬底1上生长缓冲层2，再在缓冲层2上生长InGaN /GaN多量子阱层3；

（2）在GaN/InGaN多量子阱层3上进行光刻，在GaN/InGaN多量子阱层3上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，确定电极形状，并通过蒸镀工艺将金属层电极4蒸镀在GaN/InGaN多量子阱层3上表面。

采用MOCVD方法在衬底1上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1100 ℃、1100 ℃和1000 ℃。

采用MOCVD方法在缓冲层2上生长GaN/InGaN多量子阱层3的温度为600 ℃。

烘干时间为40 s，曝光时间为5 s，显影时间为40 s，氧离子处理时间为2 min。

金属层电极4的蒸镀速率为0.23 nm/min。

将本实施例制备的多量子阱蓝光探测器进行测试。

图3为本实施例所得多量子阱蓝光探测器的X射线衍射图谱，可以看出各薄膜层峰位都十分明显。通过与标准各个峰比对，测试峰与标准峰基本重合。可见通过MOCVD 技术，在Si衬底上生长出质量较好的AlN/AlGaN/GaN缓冲层，并在缓冲层上生长出质量较好GaN/InGaN多量子阱层，并且InGaN表面有更多的富In团簇。

图4为本实施例所得多量子阱蓝光探测器的透射电镜俯视图像，可以清楚看到通过MOCVD 技术，在缓冲层上生长出均匀且周期好的GaN/InGaN多量子阱层，并且InGaN表面有更多的富In团簇。

图5为本实施例所得多量子阱蓝光探测器的PL曲线。由曲线可看出，在450 nm处有极为显著的波峰。说明该探测器在蓝光波段拥有更高的量子效率,因此在蓝光波段拥有高速的响应。

图6为本实施例所得多量子阱蓝光探测器的光电流曲线。由曲线可看出，在450 nm处，光电流为0.0712 A。说明该探测器在蓝光波段拥有更高的量子效率以及较高的灵敏度。

图7为本实施例所得多量子阱蓝光探测器的暗电流曲线，由图可见，制作电极为肖特基接触，暗电流达到10^-7A，说明载流子注入效率高，该探测器外延在蓝光波段拥有高速的响应。

实施例2

本实施例提供了一种多量子阱蓝光探测器，如图1所示，包括从下到上依次排布的衬底1、缓冲层2和GaN/InGaN多量子阱层3，GaN/InGaN多量子阱层3的上表面连接金属层电极4，缓冲层2为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层3为在缓冲层2上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为7，GaN层的厚度为13 nm，InGaN层的厚度为4 nm。

衬底1为Si衬底；AlN层、AlGaN层和GaN层的厚度分别为350 nm、650 nm、3.5μm。

如图2所示，金属层电极4为Ti/Ni/Au金属层，Ti/Ni/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层、Ni金属层和Au金属层，Ti金属层的厚度为25 nm，Ni金属层的厚度为105 nm，Au金属层的厚度为105 nm。

采用MOCVD方法在衬底1上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1150 ℃、1150 ℃和1050 ℃。

采用MOCVD方法在缓冲层2上生长GaN/InGaN多量子阱层3的温度为700 ℃。

烘干时间为45 s，曝光时间为7 s，显影时间为47 s，氧离子处理时间为2.5 min。

金属层电极4的蒸镀速率为0.25 nm/min。

将本实施例制备的多量子阱蓝光探测器进行测试。

本实施例制备的多量子阱蓝光探测器的相关性能和实施例1相似，相关性能参数可参照实施例1的相应附图。

实施例3

本实施例提供了一种多量子阱蓝光探测器，如图1所示，包括从下到上依次排布的衬底1、缓冲层2和GaN/InGaN多量子阱层3，GaN/InGaN多量子阱层3的上表面连接金属层电极4，缓冲层2为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层3为在缓冲层2上依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为8，GaN层的厚度为15 nm，InGaN层的厚度为5 nm。

衬底1为Si衬底；AlN层、AlGaN层和GaN层的厚度分别为400 nm、700 nm、4μm。

如图2所示，金属层电极4为Ti/Ni/Au金属层，Ti/Ni/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层，Ni金属层和Au金属层，Ti金属层的厚度为30 nm，Ni金属层的厚度为110 nm，Au金属层的厚度为110 nm。

采用MOCVD方法在衬底1上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1200 ℃、1200 ℃和1150 ℃。

采用MOCVD方法在缓冲层2上生长GaN/InGaN多量子阱层3的温度为750 ℃。

烘干时间为50 s，曝光时间为10 s，显影时间为50 s，氧离子处理时间为3 min。

金属层电极4的蒸镀速率为0.28 nm/min。

将本实施例制备的多量子阱蓝光探测器进行测试。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种多量子阱蓝光探测器，其特征在于，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、GaN/InGaN多量子阱层和金属层电极，缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GaN/InGaN多量子阱层为在缓冲层上表面依次交替生长的GaN层和InGaN层，交替生长的周期为6~8，GaN层的厚度为12~15 nm，InGaN层的厚度为3~5nm。

2.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，衬底为Si衬底。

3.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，缓冲层中AlN层的厚度为300~400 nm。

4.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，缓冲层中AlGaN层的厚度为600~700 nm。

5.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，缓冲层中GaN层的厚度为3~4 μm。

6.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，金属层电极的形状为叉指电极。

7.根据权利要求1所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，金属层电极为Ti/Ni/Au金属层。

8.根据权利要求7所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，Ti/Ni/Au金属层为从下到上依次排布的Ti金属层、Ni金属层和Au金属层。

9.根据权利要求8所述的多量子阱蓝光探测器，其特征在于，Ti金属层的厚度为20~30nm，Ni金属层的厚度为100~110nm，Au金属层的厚度为100~110nm。